本文選題：垂直腔面發(fā)射激光器　切入點：光混沌　出處：《西南大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：激光物理學中的混沌研究,特別是半導體激光器系統(tǒng)中的光混沌,已經(jīng)取得了很好的成果,并正處在飛速發(fā)展階段。其中,光混沌不僅有望為混沌的基礎研究提供豐富的成果,而且還可以為動力工程學中的應用提供有價值的參考。例如,各種各樣豐富的混沌動力學行為已經(jīng)出現(xiàn)在半導體激光器中,包括傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導體激光器(edge-emitting semiconductor laser,EEL)和新型的垂直腔面發(fā)射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)。對于這些激光器來說,混沌動力學甚至這些激光器的孤立振蕩有著非凡的意義,并且動力學行為的控制在當前的實際應用中是非常重要的研究話題。至于光混沌的應用方面,光混沌保密通信已經(jīng)取得了巨大的突破�；诎雽w激光器系統(tǒng)間的混沌同步,多種數(shù)據(jù)加密到混沌載波及其解密的方法已被應用到了保密數(shù)據(jù)傳輸與通信中。此外,利用現(xiàn)有的公共光通信鏈接,許多混沌保密通信已經(jīng)成功通過了測試,并取得了相當好的成果。相比于EEL,VCSEL吸引了許多研究者們的注意,這都歸功于VCSEL可以提供EEL所無法比擬的優(yōu)異性能,如亞毫安級的閾值電流,低閾值電壓,高功率輸出,低損耗和高轉化效率等�，F(xiàn)如今,VCSEL的操作波長范圍一般在670 nm到1550 nm之間。這些都使得VCSEL可以成為許多應用中的潛在光波源,包括高速率光通信和光互連應用等。為了滿足信息傳輸與通信速率的快速增長,基于光混沌的平行光波系統(tǒng)是目前迫切需求的,而這些都是離不開VCSEL的。因此,本文基于多個VCSELs產(chǎn)生的光混沌,提出了兩種通信系統(tǒng)結構,并將信息與圖像分別應用于光保密通信中,由此展開對光混沌應用價值的相關研究。首先,本文基于兩個同步的VCSELs,提出了一個長距離多通道雙向混沌保密通信系統(tǒng),該系統(tǒng)通過多條路徑連接。這兩個同步的響應VCSELs(responding VCSELs,R-VCSELs)在受到來自主驅動VCSEL(driving VCSEL,D-VCSEL)的相同混沌信號注入后,可以在各自的兩個線性偏振模式中輸出相似的用作混沌載波的光混沌信號。而D-VCSEL將同時受到光反饋和光注入的作用。通過數(shù)值仿真,兩個R-VCSELs之間可以獲得高質量的混沌同步。并且,在采用混沌掩蓋(chaos masking,CM)技術后,通過調整不同的內部參數(shù)失配,研究了不同質量的混沌同步對單模光纖(single mode fiber,SMF)信道中通信性能的影響。結果表明,隨著兩個R-VCSELs間最大互相關系數(shù)的減小,解密信息的誤碼率(bit error rate,BER)將增大。當系統(tǒng)引入色散補償光纖(dispersion compensating fiber,DCF)鏈接后,基于R-VCSELs之間的高質量混沌同步,4n路速率為10 Gbit/s的信息可以在R-VCSELs間長度為180 km的SMF信道中的n條路徑中同時雙向傳輸。通過以上徹底的測試和詳盡的分析,證明了基于VCSELs的長距離、多通道、雙向混沌通信的可行性。其次,本文還利用多個VCSELs產(chǎn)生的光混沌提出了一個新型的對稱圖像加密及傳輸系統(tǒng)。在受到來自主VCSEL(master VCSEL,M-VCSEL)的相同信號注入后,兩個從屬VCSELs(slave VCSEL1和slave VCSEL2,即S-VCSEL1和S-VCSEL2)可輸出相似的光混沌信號作為混沌載波,用以傳輸圖像。同時,S-VCSEL1的混沌信號還可用于生成加密模型中的密鑰空間。在采用三維貓映射和混沌邏輯斯諦映射后,不僅像素點的位置被打亂了,而且密文圖像和原始圖像之間的相關性也同時被破壞了。因此,該系統(tǒng)能夠抵御統(tǒng)計攻擊、微分攻擊以及蠻力攻擊之類的常見攻擊。通過數(shù)值仿真,兩個S-VCSELs之間可以獲得高質量的混沌同步。當采用CM技術后,由所提出加密模型加密后的圖像可以于SMF信道中從S-VCSEL1端傳輸?shù)絊-VCSEL2端,并得以成功解密,相應的BER將小于6.18×10-19。最后,本文做了關于安全性分析的詳細測試,證明了所提出基于光混沌的圖像加密及傳輸系統(tǒng)的可行性與高保密性。就目前所知,在基于VCSELs的光混沌應用中,關于信息傳輸系統(tǒng),尤其是圖像加密及傳輸系統(tǒng)的研究較少,因此本文具有非常特別的研究價值。相信本文不僅對密碼學領域的研究有所幫助,而且對非線性科學與技術也有一定的指導意義。
[Abstract]:Study on laser chaos in physics, especially in the light of chaotic semiconductor laser system, has achieved good results, and is at a stage of rapid development. Among them, the light is not only expected to provide abundant chaotic results based on chaos, but also can provide valuable reference for the application of power engineering. For example various kinds of chaotic behavior, the rich have appeared in semiconductor lasers, including conventional edge emitting lasers (edge-emitting semiconductor, laser, EEL) and a new type of vertical cavity surface emitting laser (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL). For these lasers, have extraordinary significance and even chaotic dynamics of these lasers isolated oscillation. Control and dynamic behavior in the current practical application is a very important research topic. As for the light of chaos Applications of chaos secure optical communication has made great breakthrough. The chaotic synchronization of semiconductor laser system based on a variety of data encryption and decryption method to chaotic carrier has been applied to the secure data transmission and communication. In addition, the use of existing public optical communication links, many chaotic communication has successfully passed the test, and achieved very good results. Compared with EEL, VCSEL has attracted many researchers' attention, this is due to the excellent performance of EEL VCSEL can provide unmatched, such as threshold electric sub milliamperes flow, low threshold voltage, high output power, low loss and high conversion efficiency. Now, the operation wavelength range of VCSEL in 670 nm to 1550 nm. All these make VCSEL can become a potential light source in many applications, including high-speed optical communications and optical interconnection in order to meet the requirements of application. The rapid growth of full information transmission and communication rate, parallel optical lightwave system based on chaos is an urgent demand, and these are all cannot do without VCSEL. Therefore, this paper based on a plurality of VCSELs light generated by chaos, puts forward two kinds of structure of communication system, and the information and images were used in optical secure communication thus, research on optical chaotic application value. Firstly, the two synchronization based on VCSELs, proposes a long distance multi channel bidirectional chaos communication system, the system by connecting multiple paths. The two synchronous response of VCSELs (responding VCSELs R-VCSELs) from the main drive in VCSEL (driving VCSEL D-VCSEL) the same chaotic signal injection, optical chaotic signal can be in two linear polarization modes in their output similar as chaotic carrier. D-VCSEL will also subject to optical feedback and optical The effect of injection. Through numerical simulation, the chaotic synchronization between two R-VCSELs of high quality can be obtained. And, in the chaos masking (chaos masking CM) technology, by adjusting the internal parameters of different mismatch on the different quality of chaotic synchronization on single-mode fiber (single mode fiber, SMF) affects the performance of communication in the channel. The results show that with the decrease of the maximum number of mutual relationship between two R-VCSELs, the bit error rate of the decryption information (bit error rate, BER) will increase. When the dispersion compensation fiber into the system (dispersion compensating fiber, DCF) link, high quality of chaotic synchronization between R-VCSELs based on the 4N road at a rate of 10 Gbit/s information can be R-VCSELs at the same time as the two-way transmission length between SMF channel 180 km n in the path. Through the above thorough testing and detailed analysis, proved that the long distance based on VCSELs multi channel, double To the feasibility of chaotic communication. Secondly, this paper also uses multiple VCSELs light generated by chaos has put forward a new symmetric image encryption and transmission system. In the subject from the main VCSEL (Master VCSEL M-VCSEL) the same signal injection, two VCSELs (slave VCSEL1 and slave dependent VCSEL2, S-VCSEL1 and S-VCSEL2) can output similar optical chaotic signal as the chaotic carrier, used to transmit images. At the same time, the S-VCSEL1 of the chaotic signal can also be used to generate the encryption key space model. In the three-dimensional chaotic cat map and the logistic map, not only the position of pixels was disrupted, and the correlation between the original image and encrypted image at the same time be destroyed. Therefore, the system can resist statistical attack, differential attack and common attacks such as brute force attack. Through numerical simulation, two S-VCSELs of high quality can be obtained Chaos synchronization. When using CM technology, the proposed image encryption model can be encrypted in SMF channel from S-VCSEL1 port to the S-VCSEL2 side, and the success of the decryption, the corresponding BER will be less than 6.18 * 10-19.. At last, this paper makes a detailed analysis on the test safety, feasibility is proved by the image encryption and the transmission system of optical chaos and high security. Based on the current state of knowledge, based on the application of VCSELs in optical chaos, on information transmission system, especially the study of image encryption and transmission system is less, so this paper has very special research value. The thesis not only studies on the field of cryptography and help. Have a certain guiding significance for nonlinear science and technology.

【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN248

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本文編號：1562803